Механо-клеевой ремонт и восстановление изделий из пластмасс и полимерных композитов

Существует несколько методов соединения и ремонта композиционных материалов на основе пластических масс (термопластов, реактопластов): механическое соединение материалов; клеевое соединение материалов; сварное соединение материалов.

Механические соединения композитных деталей раз­личаются по видам используемых металлических креплений: клепаные, резьбовые и штифтовые. На рис.2 представлены типы соединений изделий из композитов на основе пластических масс[1].

Применение того или иного вида соединения зависит от типа нагрузок (статические или уста­лостные), легкости в производстве, стоимости и от специальных условий (необходимости получения съемных, по­движных или других видов соединений) [1].

Могут осуществляться и механические соединения слоистых композитов с металлами (для этого они совмещаются, засверливаются и соединяются заклепками, болтами, винтами или штиф­тами) [1]. Следует отметить, что механически соединяются изделия на основе пластических масс как вновь изготавливаемые, так ремонтируемые.

Рис. 2. Типы механических соединений деталей из композитов.

а) — простые соединения:

1 — обычное нахлесточное; 2 — нахлесточное с изгибом; 3 — стыковое с простой накладкой; 4 — стыковое со скошенной накладкой;

5 –соединения в ус с накладкой.

б) — двойные соединения:

6 — стыковое с двумя накладками; 7 — дву­стороннее нахлесточное;

8 — скошенное двустороннее нахлесточное.

Сварка и склеивание применяется для неразъемных соединений пластмассовых деталей или полуфабрикатов — пленок, листов, труб. При сварки свариваемые уча­стки поверхностей нагреваются до расплавления и соединяют при сравнительно небольшом давлении (0,5÷1,0 МПа). При этом проис­ходит взаимная диффузия свариваемого ма­териала в зоне контакта [2].

Физико-химический процесс склеивания сложен и недостаточно изучен. Разрушение клеевого соединения происходит либо на границе клеевого слоя с подложкой, либо по самому клеевому шву, в зависимости от соотношения сил адгезии и когезии. Адгезия клея прежде всего определяться диффузией клея в подложку, его адсорбционным взаимодействием со склеиваемыми поверхностями, электрическим взаимодействием поверхности подложек и клея, а также образованием химических связей между ними [2].

В качестве основы клеев используют следующие промышленные адгезивы:

1. термопластичные (акриловые, целлюлозные, сульфоновые, виниловые, резиноподобные, неорганические, натуральные);

2. термореактивные (эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиэфирные, полиимидные, карбомидные).

Классическими для соеди­нений адгезионного типа яв­ляются следующие: соединения в ус, нахлесточное со скосом, простое нахлесточное и моди­фицированное нахлесточное. На рис. 3. схематично изо­бражены эти виды соединений. Каждый из типов соединений имеет свои преимущества в зависимости от характера и направления приложения нагрузок.

Каждый из выше перечисленных методов имеет свои недостатки. Изделия соединенные механически ослаблены элементами отверстий, пазов, не эстетичны, не имеют гладкую внешнюю поверхность, места соединений не герметичны, не однородны и т. д.

Рис. 3. Виды соединений.

а — в ус; б — нахлесточное со скосом; в — простое нахлесточное;

г — двойное нахле­сточное; д — модифицированное нахлесточное.

К недостаткам адгезионных соединений можно отнести:

1. после отверждения связующего соединение становится неразъмным;

2. сопротивление ползучести при повышении температуры невелико для большинства типов адгезивов;

3. эффективность полученных связей зависит от точности взаимного расположения деталей [1].

Свариванию подвергаются изделия только на основе термопластичных пластмасс, места сваривания имеют меньшие прочностные показатели.

Технология метода. Проведенные экспериментальные исследования показали, что наиболее высокие физико-механические и эксплуатационные показатели имеют механо-клеевыесоединения, получаемые совмещенным методом.

Для этих целей наиболее эффективными являются не вспененные эпоксиполиуретановые клеи с малым временем отверждения (0,3÷15,0 мин.), и высокой адгезионной способностью к различным подложкам (термопластичным материалам, металлам, стеклу, керамики, дереву и др.).

С целью получения жестких малопористых уретанов разработан метод опережающей полимеризации, заключающийся в том, что в эпоксиполиэфирную смесь вводится кремнеорганический модификатор-ускоритель класса полисилозанов. При совмещении модифицированной эпоксиполиэфирной смеси с полиизоцианатом, полисилозан связывает структурную влагу и ускоряет реакцию взаимодействия полиэфира и отвердителя. При этом взаимодействие изоцианата и воды сводится к минимуму и протекает медленнее основной реакции полимеризации. В целом, увеличивается скорость полимеризации эпоксиполиуретана и снижается реактивность изоцианата по отношению к воде, что нивелирует эффект вспенивания.

Совмещенный метод позволяет эффективно соединять элементы изделия встык при толщине от 1,0 до 10,0 мм (см. рис 4.). При этом возможно соединять изделия, имеющие рваный характер разрушенных поверхностей рис.4, Б.

Рис. 4. А – схема разрушения изделия по плоскости;

Б - схема изделия с рваным характером поверхностей.

Операционная технология соединения разрушенных изделий на основе пластических масс аналогична технологии ремонта изделий из волокнисто-армированных композитов.

Технологический процесс соединения ремонтируемых изделий состоит из следующих операций:

1). подготовка основных и вспомогательных материалов;

2). подготовка разрушенных элементов изделия;

3). очистка соединяемых поверхностей от загрязнений;

4). подгонка соединяемых поверхностей;

5). придание шероховатости основным и прилегающим поверхностям;

6). сверление отверстий по границе разрушения поверхностей (рекомендуемый диаметр отверстий должен соответствовать сумме 0,3 ÷0,4 мм + Ø проволоки; расстояние от края разрушенной поверхности должно соответствовать 3,0÷10,0 мм, расстояние между отверстиями – до 5 Ø в зависимости от толщины изделия);

7). стягивание разрушенных краев металлическими скобами встык, проволокой диаметром 0,5÷2,0 мм., см. рис.2 (стягивание скоб осуществляется при помощи специального приспособления, принцип работы которого заключается в винтовом скручивание свободных концов провода до момента соединения встык и полного охвата металлической арматуры поверхностей соединяемых элементов);

8). окончательная очистка соединяемых поверхностей от загрязнений;

9). смешение компонентов клея в тех случаях, когда готовый клей быстро отверждается и его нельзя долго хранить в готовом виде;

10). нанесение жидкого адгезива (с высокой проникающей способностью) на подложку кистью, распылением или другими способами;

11). укладка тканного армирующего материала предварительно пропитанного адгезивом на внутреннюю область изделия согласно условиям нагружения (армирование является обязательным условие предлагаемого метода, в качестве армирующего материала рекомендуется использовать стеклоткань с ячейками 0,1×0,1 ÷ 0,5×0,5 мм);

12). соединение склеиваемых деталей под давлением (0,05÷1,0 МПа) и выдержка;

13). испытание клеевого соеди­нения (простукиванием, ультразвуковым методом, рентгеноско­пией и т. д.);

14). окончательный отделочный ремонт;

15). косметический ремонт;

16). окрашивание;

17). контроль качества.

Рис. 5. Схема одного из вариантов соединения изделий механо-клеевым методом.

1 – отделочный слой; 2 – соединяемые элементы; 3 – металлическая скоба;

4 – заливочный адгезив; 5 – слой стеклоткани пропитанный адгезивом.